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北建大:为大兴国际机场航站楼钢结构“保驾护航”

来源:党委宣传部 供稿:汪洋海容 审核:张艳霞 发布时间:2019-09-25
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  9月25日,在新中国即将迎来70周年华诞之际,北京大兴国际机场经过四年多的建设,犹如一只闪耀着金光的“凤凰”,在北京中轴线延长线的南端展翅腾飞。

  新机场正式投运,“中国智造”享誉世界。在这个备受瞩目的伟大工程中,北京建筑大学的师生也在各自岗位上,向新机场建设输送着“北建大智慧”,传递着“北建大方案”。

 

北京大兴国际机场效果图

  

  把航站楼屋盖钢结构模型搬进校园

  新机场航站楼屋盖及其支撑结构为钢结构,投影面积达34万平方米,采用双曲面造型,最大结构单元长度504米,最大跨度102米,屋檐最大悬挑42米;存在跨度、长度超限,以及扭转不规则、竖向构件不连续等规则性超限情况,属于多项超限的大跨度建筑工程……

  巧妙的构思绘制精美的设计,而把蓝图变为现实,靠的是创新。

  

  

张爱林教授团队完成的钢结构试验模型,进行竖向承载性能试验和拟静力水平往复加载试验。

  

  2014年,张爱林教授就申报北京市科委项目,支撑北京新机场新型大跨度钢结构研究工作。2015年,一则来自全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的试验研究建议摆在了北京学者、北京建筑大学校长张爱林教授的面前。作为国内钢结构领域的专家,第一次拿到如此超大跨度的钢结构设计方案也不由觉得颇为震撼。“新机场钢结构超长超大,远大于现有规范限值;作为主要支撑的C型柱结构形式复杂,且纵横刚度不对称。这些因素都要求我们要对整个结构体系和节点构造进行全面研究,通过试验验证提供技术支持,确保新机场圆满竣工,安全使用。”张爱林教授谈到。

  与在实验室做试验不同,做工程项目容不得半点失误。张爱林教授与负责新机场项目的北京市建筑设计研究院有限公司的设计师们论证后决定,要按照新机场航站楼钢结构设计方案中的数据,设计制作1:10缩尺模型。2017年,模型经由专业钢结构加工企业生产完成后安置于北建大大兴校区。

 

北京大兴国际机场建设指挥部常务副指挥长郭雁池(左二)和航站楼结构总负责人束伟农总工(左三)

莅临北京大兴国际机场航站楼钢结构整体振动台缩尺模型试验现场观摩。

 

 

北京大兴国际机场航站楼结构总负责人束伟农总工和钢结构总负责人朱忠义总工

莅临北京大兴国际机场航站楼钢结构C1区缩尺模型试验和C型柱足尺节点试验现场观摩。

 

  根据方案,团队进行了钢结构稳定性能研究,通过加载砂袋对钢结构的竖向承载性能进行试验,还利用液压千斤顶进行拟静力水平往复加载试验。团队按50%和100%静载对钢结构模型进行两次加载,并分别在白天和夜晚再各加载一次,为的就是周全考虑各种复杂工况及温度效应,让试验结果更具参照意义。通过分析模型上百个测点得到的数据,团队总结提出适用于C型柱体系的承载力计算方法,并最终验证新机场航站楼屋盖钢结构设计能够满足8度罕遇地震的抗震要求。“这绝对算得上是我国钢结构科技创新的标志性工程。”张爱林教授说。

 

  填补业内结构相贯节点设计技术标准的空白

  搬进北建大校园里的不仅有航站楼屋盖钢结构缩尺模型,还有C型柱上关键相贯节点的足尺模型。“节点在钢结构中发挥着承上启下的关键作用。”团队负责老师、北京建筑大学土木学院教授张艳霞说。试验选取的节点位于C型柱中心部位,其上下左右以及后部与12根杆件焊接贯通,受力情况极为复杂。

  类似这样的复杂节点在一般实验室里无法开展试验,团队便自行设计研发了球形自平衡全方位加载试验装置。该实验平台满足内部多角度全方位加载,最大加载质量达1500吨,完全满足了像C型柱上这种荷载大、连接杆件多的节点的试验测试需求。

 

 

团队研发的球形自平衡全方位加载试验装置及试验使用的足尺节点模型。

 

  节点选用什么钢材、受力条件如何、在节点内部起支撑作用的加劲肋如何布设,这些问题都影响节点性能。对此,团队先后分四组共11次对足尺节点性能进行对照测试。研究人员发现,节点在主管内布设有加劲肋的情况下,能够满足C型柱承重需求。理论上讲,节点主管内加劲肋布设的数量越多,节点结构越稳定。通过节点试验研究发现,设置三道加劲肋的节点与设置五道加劲肋的节点安全性能十分相近,团队最终建议设计方案布设三条加劲肋。这样既降低了施工难度,又节约了建设成本。

  “事实上,国内关于设置加劲肋相贯节点的标准条文几乎为零。”张艳霞表示。北建大团队不仅完成了新机场项目,还通过参数化分析,总结出一套关于加劲肋的厚度、体积和中央开孔大小的设计原则,填补了领域内的空白。

  

  新机场作为课题写入研究生学位论文

  “这是第一次亲身参与国家级的重大项目工程。”团队中不少学生纷纷表示。在他们看来,新机场建设象征着国家的使命和荣誉,能够有机会在高水平的平台上锻炼知识和技能十分难得。

  今年毕业的硕士研究生邵迪楠从2015年刚入校时便跟随导师张爱林和张艳霞参与新机场项目。接手之初,他便感受到了挑战。“很多内容远远超过了书本上知识的范畴,”邵迪楠讲到,“我差不多搜集了足足1G的论文来参考。”三年的时间里,他几乎每一天都跟团队成员一起或泡在实验室推敲设计方案,或守在模型旁边完成实验。

  测试节点性能使用的实验平台是2017年7月份安装到位的,因其体型巨大,仅能置于室外进行试验操作。从7月到12月,从酷暑到寒冬,邵迪楠在这段时间里完成了六组试验。“有时候设备在室外都冻得不灵敏了,我们也想办法尽快让它恢复正常。”他说。

  整个实验过程中,拍照记录节点在不同工况下的破坏现象需要搭脚手架在高空完成,单就一个节点就要爬上爬下好几次。“即便有时候我们用肉眼观察节点在力的作用下没有变形或变形极其甚微,也需要把观测部位的形态记录下来进行分析。”邵迪楠说,做工程就要细之再细,“重复的劳动虽然繁琐,但也磨练了一个人的意志和耐性。”

  毕业设计开题时,邵迪楠毫不犹豫地选择了新机场这个选题。他把三年来试验中的成果梳理成章,发表在《建筑结构学报》上,“这篇论文凝结着我们整个团队的智慧和心血,是整个团队的成果。”邵迪楠说。

  在邵迪楠年级之前的两届研究生里,几乎所有学生都参与到了试验项目。他们之间不仅有协作,还有传承。2017届毕业生王宗洋和2018届毕业生李振兴主要负责的是球形自平衡全方位加载试验装置的设计研发。他们根据试验需求绘图纸,与北京市建筑设计研究院有限公司的工程师研讨完善设计方案,在老师指导下,把原本全封闭的球形试验装置改进成为中心空间更加开放、加载节点更加便捷、适用节点更加多样的半开放式结构。据王宗洋介绍,优化方案由8榀减为6榀,减少梁柱14根,共节约用钢80吨。

  上一届学生毕业了,下一届学生还沿着他们的足迹继续推进。“现在回想起来,试验项目最终完成真的是靠一点一点磨出来的。”李振兴说,“只有试验装置装置自身精确可靠,才能保证实验结果准确无误。”在试验平台建设过程中,设计图纸反复修改,连接节点和球形架的杆件经历了数次校对,各构件装置的定位不断校正,目的就是确保精度控制在毫米级。李振兴觉得,工程再复杂也要追求精益求精,“从你手里完成的工作就是你身上的一个标签”。

  如今,新机场正式投运,试验项目也完成使命。课题组留下的钢结构模型和节点测试装置依然保留在校园里,供新入学的本科生继续使用。“我希望后来的学生能够通过它们,对所学专业产生真切的认知和深刻的感受。”现在,团队的试验项目已经成为一个非常典型的教学案例,出现在了张艳霞老师的钢结构课堂上。

 

大型纪录片《腾飞》报道我校张爱林教授团队

 

 

编辑:汪洋海容